(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の半導体素子を備えた半導体モジュールを直流電源間に接続して、前記半導体モジュールの表面に接続されたワイヤ配線における電圧降下を検出することにより半導体素子の劣化を検知するものにおいて、前記直流電源間に直列接続された複数の半導体素子に同時にオンパルスを与え、そのオンパルス期間でのワイヤ配線の電圧降下を検出することを特徴とする半導体装置の劣化保護方法。
【請求項２】
前記ワイヤ配線の電圧降下を予め設定した基準レベルと比較し、ワイヤ配線の電圧降下が基準レベル以上になったとき、半導体素子の劣化を検出することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の劣化保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体素子を用いた電力変換装置、例えばインバータや無停電電源装置（ＵＰＳ）などにおいて、パワーモジュールの劣化を検出してその破壊を未然に防止する保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやＵＰＳなどは、一般にブリッジ接続されたバイポーラトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴ，ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子をスイッチングすることにより電力変換を行なっている。
このような変換装置の例として、単相ブリッジインバータの構成例を図３に示す。これは、上下直列に接続されたパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）３ａ，３ｂおよびダイオード（ＦＷＤ：還流ダイオード）４ａ，４ｂを交互にスイッチングすることで、負荷であるモータ５に電力を供給するものである。なお、１は直流電源、２はモジュール容器、２ａ〜２ｃは端子を示す。
【０００３】
このような回路に適用されるパワー半導体素子は、接続や冷却を簡便にするために複数の素子（チップ）を１つのパッケージ（モジュール）に収納するのが一般的であり、半導体を内蔵したパッケージを通常パワーモジュールと呼ぶ。
ブリッジ回路を構成するために、直列接続された２つのＩＧＢＴを収納したモジュールの外観例を図４に、また、そのモジュール断面図を図５にそれぞれ示す。
【０００４】
図４に示すモジュール容器２には、直流電源１からの入力端子２ａ，２ｂ、負荷への接続端子２ｃおよびオン，オフ信号を入力するためのゲート端子２ｄが設けられている。
図５に示すように、表面に回路パターン１２ａ〜１２ｃが形成されたセラミック製絶縁基板１２の回路パターン面（上面側）に、半導体チップ３ａ，３ｂが半田などのろう材により固着されており、各回路パターン１２ａ〜１２ｃと各チップとはアルミニウムワイヤ９ａ，９ｂによってボンディング接続され、図３のような回路が構成される。
【０００５】
また、セラミック製絶縁基板１２の裏面にもベタパターン１２ｄが設けられており、銅合金のような放熱板１１に半田などによりろう付けされる。半導体チップ３ａ，３ｂや配線パターン１２ａ〜１２ｃなどの電気回路側と放熱板１１は、セラミック基板１２で絶縁されているので、感電を防止する目的で放熱板１１を接地しても良く、使い勝手の良い構成にされる。
【０００６】
ところで、上記のように構成されるパワーモジュールには、装置の断続的な運転による急激な温度変化により、内部の端子接続部分が熱疲労により断線するのみならず、断線時に生じるスパークにより半導体チップが破壊してしまうという問題がある。半導体チップ表面（エミッタ端子面）から電極，外部接続端子などへは、上述のようにアルミニウムなどのワイヤをボンディング、すなわちワイヤと接続面を超音波により擦り合わせ、摩擦熱で塑性変形させることにより接続される。
【０００７】
上記接続は、アルミニウム（配線材）とシリコン（半導体チップ）との接続点であり、各素材の線膨張係数はアルミニウム：２３×１０-6／℃、シリコン：８×１０-6／℃で、約３倍の差がある。したがって、長期にわたり断続通電が行なわれると、その温度変化による膨張率の相違により、接合部分に繰り返し応力が発生し、接合部に亀裂（クラック）が進行する。この亀裂がある程度進行すると、亀裂部分での電圧降下が大きくなり、発熱量が増大するため亀裂が加速度的に進行し、ついには断線を引き起こすことになる。
【０００８】
この繰り返し発熱によるパワーモジュールの劣化および寿命をパワーサイクル耐量（またはパワーサイクル寿命）と呼び、パワーモジュールの信頼性を判断するための、非常に重要な項目の１つになっている。
図６はパワーモジュールのパワーサイクル寿命特性曲線の例で、接合部の温度変化量（ΔＴｊ）が大きくなると、パワーサイクル回数が低下することを示している。
【０００９】
図７は亀裂の進行を説明するもので、チップ３ａ，３ｂの表面とボンディングされたワイヤ９ａ，９ｂの接続点に亀裂９ｃ（ギザギザの線で示す）が発生していることを示す。
また、図８は接続点における抵抗値測定例を示す。初期状態では、ワイヤ接続部の抵抗値は２ｍΩ程度であるが、パワーサイクル回数とともに抵抗値が上昇し、寿命末期においては５ｍΩ程度まで抵抗値が急増し、破壊に至ることが判明している。
このようなパワー半導体素子の特性劣化をすばやく検出し、素子が破壊する直前に交換を促すことにより、設備機器のトラブルを防止する予防保全機能の実現が要望されており、特性劣化の推定，検出する技術が例えば特許文献１，２に開示されている。
【００１０】
特許文献１には、半導体チップの配線剥離を検出する方法として、配線強度を主配線よりも弱くしたダミー配線を施し、これの剥離から主配線の寿命が近いことを検出する技術が示されている。
しかし、モジュール製造時の配線工程が複雑になるだけでなく、実際の寿命時のワイヤ剥離においては、チップ表面の電極もスパークにより損傷する場合が多く、ダミー配線の剥離が直ちに製品の寿命となってしまうと言う問題がある。
【００１１】
一方、特許文献２には、図６のような予め求めてある半導体素子のパワーサイクル寿命特性曲線（温度変化幅に対するパワーサイクルの依存特性）と、実際の運転における温度，回数を比較し、特性曲線と照らし合わせて寿命推定を行なう技術が開示されている。しかし、ここでは単純な回数のみのカウントであり、実際の剥離状態を観測していないため、推定誤差が大きくなってしまう。通常、変換装置の付加状態は一定ではなく、温度変化幅も運転状況によって様々に異なるため、単一の温度条件でのサイクル寿命数から実物のパワーサイクル寿命を推定することは極めて難しい。
【００１２】
また、予め半導体素子のパワーサイクル寿命特性曲線を求めておく必要があり、評価に時間が掛かる。さらに、メモリなどに寿命曲線および温度変化値、装置の運転履歴を記憶させておく必要があり、装置構成が複雑になる。
また、接合部の抵抗値は数ｍΩ程度であるため、パワーモジュールが通常流す電流値での電圧降下は０．２ないし０．５Ｖ程度で非常に小さいため、精度良く検出するのが非常に難しい。さらに、パワーモジュールの電流値自信も運転状態によって異なり、常に一定と言うわけではないので、電流値に合わせて接合部の抵抗値を検出することは非常に困難である。
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−２８６００９号公報
【特許文献２】特開平０８−０５１７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、この発明の解決しようとする課題は、パワーモジュール内部配線の劣化を効率よく正確に検出できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決すため、請求項１の発明では、直列接続された複数の半導体素子を備えた半導体モジュールを直流電源間に接続して、前記半導体モジュールの表面に接続されたワイヤ配線における電圧降下を検出することにより半導体素子の劣化を検知するものにおいて、前記直流電源間に直列接続された複数の半導体素子に同時にオンパルスを与え、そのオンパルス期間でのワイヤ配線の電圧降下を検出することを特徴とする。
【００１６】
上記請求項１の発明においては、前記ワイヤ配線の電圧降下を予め設定した基準レベルと比較し、ワイヤ配線の電圧降下が基準レベル以上になったとき、半導体素子の劣化を検出することができる（請求項２の発明）。
【発明の効果】
【００１７】
この発明では、直流電源間にブリッジ接続された半導体モジュールの、直列に接続された対の素子を同時にオンさせて短絡電流を流し、そのときのワイヤ配線における電圧降下を計測する。これにより、負荷状態によらず一定の電流を流せるので、ワイヤ接合部の電圧降下を正確に検出でき、半導体モジュールの寿命を破壊前に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路図で、ＩＧＢＴ３ａ，３ｂが直列に接続されたブリッジ回路の１相分を示す。ＩＧＢＴ３ａ，３ｂには駆動回路８ａ，８ｂが接続されており、制御回路１０から発生される駆動信号１５ａ，１５ｂを増幅してＩＧＢＴを駆動するものである。９ａ，９ｂは図５と同じワイヤ配線を示しており、このワイヤ配線９ａ，９ｂにおける電圧降下レベルを検出するために比較器６ａ，６ｂを設け、基準値７ａ，７ｂとの比較を行なう。
【００１９】
ワイヤ配線９ａ，９ｂでの電圧降下が基準値を超えた、つまりワイヤ接合部の亀裂が進行した場合には、比較器６ａ，６ｂの出力１４ａ，１４ｂが反転するので、これを寿命到達信号として検出することにより、パワーモジュールが破壊する前に寿命到達を検出することが可能となる。さらに、上述したような微小な電圧降下を正確に検出するために、この発明では上下アームのＩＧＢＴ３ａ，３ｂに対し、短絡により破壊しない程度の、ごく短時間同時にオンさせるパルス（寿命計測用パルス）を入力し、大電流の短絡電流を流すことにより、負荷の状態によらず、微小な抵抗値を計測できるようにしている。
【００２０】
図２に、寿命計測用パルスのタイミングチャートを示す。
ＩＧＢＴ３ａおよび３ｂに対し、それぞれ図２（ａ），（ｂ）のような、短時間の同時オンパルス信号を入力している。これに伴い、ＩＧＢＴ３ａ，３ｂには図２（ｃ）のような大電流のパルス状短絡電流が流れる。一般的に、パルス電流のピークは、ＩＧＢＴ定格の５〜１０倍程度の電流となる。
【００２１】
例えば、１００Ａ定格のＩＧＢＴでは、短絡電流は５００〜１０００Ａにも達するため、上記接合部の抵抗における電圧降下（Ｖｗｉｒｅ）は、短絡電流値が５００Ａ、接合部抵抗が２ｍΩ（初期時）であったとすると、次のようになる。
Ｖｗｉｒｅ＝５００Ａ×２ｍΩ＝１Ｖ
一方、寿命時における接合部抵抗が５ｍΩであったとすると、
Ｖｗｉｒｅ＝５００Ａ×５ｍΩ＝２．５Ｖ
であるので、初期時と寿命時の中間付近に、図２（ｄ）のように寿命レベル電圧値７ａ，７ｂを設定することにより、パワーモジュールの寿命到達を検出できる。
【００２２】
検出する電圧は数ボルト程度なので、定格電流で計測した場合の１Ｖ以下の電圧降下を検出する場合に比べて、外部ノイズなどの影響も受け難くなる。しかも、この短絡電流特性は、素子（ＩＧＢＴ）チップの特性により決定されるため、負荷電流の大小によらず正確に電圧降下を検出することができる。ＩＧＢＴチップの短絡耐量（時間）は、一般的には１０マイクロ秒程度なので、この時間以下の寿命計測パルスを用いれば良い。
【００２３】
また、上記寿命計測パルスは必要に応じて、運転開始時や一定の累積期間毎に入力しても良い。さらに、駆動信号としての上下アームパルス１５ａ，１５ｂは、短絡電流が流れる期間さえ確保されていれば、上下同じタイミングやパルス時間幅である必要は無い。また、寿命計測パルス発生中には、ＩＧＢＴのゲート電圧を低減させることにより、短絡電流を抑制して計測時間を延長することも可能である。
【００２４】
以上では、直流電源間に２つのＩＧＢＴを接続した２レベルインバータの例を説明したが、多数のＩＧＢＴを直列に接続した３レベル以上のインバータについても、全てのＩＧＢＴを同時にオンさせることで、同様の効果が得られることは勿論である。また、インバータ内の複数のモジュールのうち、全てのＩＧＢＴのワイヤ電圧を検出しても良く、動作責務が同じならば各モジュールの寿命もほぼ同じと考えられるので、どれか１つのモジュールのみのワイヤ電圧を検出しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】図１の動作説明図
【図３】一般的なインバータ回路を示す回路図
【図４】パワーモジュールの外観図
【図５】図４の断面図
【図６】パワーサイクル寿命特性を示す特性曲線図
【図７】ワイヤボンディングにおける亀裂の説明図
【図８】パワーサイクルにおけるボンディング接続部の抵抗推移説明図
【符号の説明】
【００２６】
１…直流電源、２…モジュール容器、２ａ〜２ｄ…端子、３ａ，３ｂ…ＩＧＢＴ、４ａ，４ｂ…ダイオード、５…負荷（モータ）、６ａ，６ｂ…比較器、９ａ，９ｂ…ワイヤ配線、１０…制御回路、１１…放熱板、１２…絶縁基板、１２ａ〜１２ｃ…配線パターン、１５ａ，１５ｂ…駆動信号（上下アームパルス）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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